涡扇发动机消喘系统设计与试验研究

在某型涡扇发动机气动失稳特征的基础上,建立了航空发动机失速/喘振特征工程数学模型,研制出发动机消喘系统数字仿真平台,完成了消喘系统的方案优化设计,并在地面台架和飞行台试验中得到了验证。其气动失稳工程数学模型、数字仿真优化设计技术和试验验证方法可广泛应用于航空发动机、地面和舰船燃气轮机、以及其它民用叶轮机械气动失稳测控设计领域,同时也为制定航空发动机消喘系统设计规范奠定了坚实的技术基础。     

基于系统混沌指数的航空发动机状态监测

从混沌理论、分形学的角度研究了航空发动机失稳工作,计算了发动机失稳过程系统混沌特征量的变化.采用小波降噪对压气机压力数据作预处理,重构了系统相空间,改进了关联积分的计算方法,在此基础上采用滑动窗口方法计算了发动机失稳过程中系统李雅普诺夫指数、关联维数的变化.计算结果显示,发动机失稳过程中系统的混沌指数有显著的改变,系统进入失稳状态李雅普诺夫指数增大0.19,而关联维数则减小0.45,表明混沌指数可用于发动机系统的状态监控,亦为发动机失稳运动的特性研究提供了新思路.      

航空发动机气动失稳在线监测试验技术

针对航空发动机试验时缺乏有效安全监控措施的技术难题,开展航空发动机气动失稳在线监测试验技术研究。通过分析发动机试验失稳动态特征数据,设计基于时频-小波的气动失稳辨识算法,研制出具有国内自主知识产权的航空发动机气动失稳在线监测系统。结果表明:该系统能够准确、及时地检测到发动机失稳特征信号,辨识系统响应时间优于50 ms,工程实用性高,具备对发动机试验气动失稳在线预警能力。      

直升机/发动机系统综合控制半物理仿真

基于直升机/发动机系统综合控制半物理仿真试验平台,针对直升机/发动机系统综合模型和综合控制算法进行数字与半物理仿真试验研究.提出了一种串级PID(proportional integration differential)+扭矩前馈+总距补偿的系统抗扰控制算法,并提出了基于机载简化发动机模型的多模式综合实时优化控制算法.试验结果表明:所建立的 直升机/发动机系统综合开闭环模型能够模拟发动机从起动到慢车再到直升机飞行的整个过程,自由涡轮转速超调量和下垂量均在4%以内,在不同飞行条件下,动静态品质均满足设计要求.本文还进行了综合系统多模式优化技术的半物理仿真,结果表明所设计综合控制律的良好工程应用前景.      

基于虚拟维修仿真的发动机航线可更换单元维修性验证研究

基于三维模型仿真平台,对某型发动机试验件典型航线可更换单元(LRU)进行虚拟维修仿真,通过可达性、可视性、维修姿态及操作空间分析,评估了目标LRU维修性水平,初步建立了基于虚拟维修仿真的民用航空发动机LRU维修性验证优化流程,基于该流程,针对后续发动机型号LRU维修性设计要求,持续优化外部管路维修性设计过程。     

涡扇发动机最小红外特征模式性能寻优控制研究

为抑制涡扇发动机排气系统的红外特征,提出一种基于红外预测模型的最小红外特征模式性能寻优控制。首先,建立一种排气系统正后向红外辐射强度简化预测模型,该预测方法考虑了排气系统内高温部件和尾喷流的红外辐射,以及尾喷流对高温部件红外辐射的吸收作用,具有可信的仿真精度;其次,基于涡扇发动机部件级实时仿真模型,增加了从外涵引气冷却中心锥和尾喷管扩张段内壁的冷却结构和红外预测模块;最后,基于该模型探索了最小红外特征模式的优化原理,并选用可行序列二次规划(FSQP)算法,通过控制高温壁面冷却气的流量,主燃烧室的燃油量以及尾喷管喉道面积,对两个亚声速巡航状态的工作点进行实时优化。仿真结果表明:在满足发动机推力恒定以及其他约束条件的前提下,发动机通过最小红外特征模式性能寻优控制,其排气系统后向红外辐射下降了30%以上,红外抑制效果显著。     

基于定部件效率的航空发动机通用性能仿真系统构建

根据飞机设计阶段对航空发动机性能仿真简便、快速和有效的要求,在基于定部件效率的航空发动机性能仿真方法基础上,对航空发动机部件进行通用性建模,并采用面向对象技术构建通用航空发动机性能仿真系统。采用定部件效率模型对航空发动机性能进行仿真,降低了航空发动机性能仿真过程的专业性要求;同时,采用面向对象技术建立通用的航空发动机性能仿真系统,提高了仿真代码的重用性及仿真系统的适用性。利用该仿真系统建立双转子混排涡扇发动机和自由涡轮式单转子涡轮螺旋桨发动机仿真对象模型,并对某型双转子混排涡扇发动机稳态特性进行仿真,验证了仿真系统的有效性。     

基于快速原型的涡扇发动机气路部件在线健康监控系统设计

为实现涡扇发动机全包线范围内具有较高精度的快速实时仿真,结合快速原型技术和发动机非线性模型设计了一种气路部件在线健康监控系统。该系统采用涡扇发动机非线性模型模拟真实发动机进行实时计算,并将基于优化拟合法获得最优的发动机线性化模型融入扩展Kalman滤波算法,对气路部件健康参数进行实时跟踪,将该跟踪方法运用于基于CompactDAQ和CompactRIO平台设计的发动机在线故障诊断原型系统进行仿真试验验证。仿真结果表明,基于快速原型技术与发动机非线性模型构建的在线健康监控系统能够实现对气路部件故障的有效诊断,平均正确率达到98.28%。     

模态区间方法在液体火箭发动机系统仿真中的应用

模型简化和系统参数的不确定性导致基于定量模型的液体火箭发动机仿真结果与系统的真实行为存在差异。利用模态区间分析方法对系统进行仿真，得到的结果为一包含系统真实行为的包络线，它是系统真实行为区间的优化。通过对某泵压式液体火箭发动机稳态工作过程的模态区间仿真计算，证明模态区间分析方法对复杂动态系统建模仿真是有效的。     

基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,本文开展了基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

航空发动机防喘系统扩稳构件优化研究

为获得防喘系统的最佳效能,采用温度畸变发生器作为逼喘装置,分别给出了不同发动机扩稳构件的试验结果。优化试验以发动机进口临界温升为目标。讨论了某涡扇、涡喷发动机扩稳构件在不同形式组合方案下的扩稳效果。结果表明．防喘系统扩稳效果最为显著的是采用减少或切断燃油的手段,但其缺点是会导致推力下降较大,因此扩稳方案需综合考虑,应从有效性、发动机重量、机动飞行和可靠性能力等方面进行权衡。     

航空发动机防喘控制系统设计和热扰动参数研究

提出了航空发动机防喘控制系统设计和研制方法,分析了当战斗机发射导弹时热扰动参数对发动机的影响。通过试验和数据分析,得出了发动机防喘控制系统的有效性评价准则,而某型发动机防喘控制系统的研制和飞行试验证明了该有效性评价准则的正确性。     

防喘控制系统对发动机工作过程影响的数值仿真

应用考虑混合室、加力燃烧室、主燃烧室和外涵道容积效应和变几何通道、主燃烧室供油量等控制因素的发动机动态过程的仿真模型,对某型变几何混排涡扇发动机防喘调节系统工作时发动机的工作过程进行了仿真,并研究了防喘调节系统调节精度对发动机过渡工作过程的影响。仿真结果与实际试车数据比较吻合,验证了模型的有效性。仿真结果表明:高压压气机导流叶片调节通道产生的影响大于喷管临界面积调节通道产生的影响;高压压气机导流叶片调节通道对高压转子的影响比低压转子大,而喷管临界面积调节通道对低压转子的影响比对高压转子大;各变几何通道有个调节最佳值。仿真模型与方法可为防喘调节系统的设计和功效评定提供理论基础。     

用卡尔曼估值对航空发动机喘振状态预报研究

针对压缩系统的Greiter非线性模型,采用卡尔曼估值理论的方法对压缩系统进行状态估值,提出某一喘振判定准则下超前预报压气机将来某一时刻是否发生喘振,即喘振预报。     

风洞风机防喘振模型及其控制策略

以连续式高速风洞中的多级轴流风机为研究对象,分析了其喘振流量条件和风洞多变试验状态下的流量特性,建立了基于风机入口流量和进出口压比的防喘振模型.给出了风机流动相似条件和流量计算方法,测试出了风洞风机通用特性曲线和工作线,基于风机转速区间和工作特性设置了防喘振簇线.基于PLC（programmable logic controller）过程控制和WinCC监控平台,制定了多级冗余防喘振控制策略,并进行了风洞试验验证.结果表明:防喘振模型能准确反映风洞多变试验条件下风机的运行工况和安全裕度;流量与压比重复性测量的标准差分别为0.002和0.001,防喘振控制的重复性精度为0.003;实现了喘振工况的实时判别和自动控制,有效避免了喘振的发生.      

涡扇发动机防喘控制系统的动态数学模型和数字仿真

本文以某涡扇发动机防喘控制系统为对象,建立了该系统的动态数学模型,并通过数字计算机进行仿真。判明了系统中主要结构参数和两个典型非线性对动态性能的影响。提出了改善系统品质的途径。     

某型发动机防喘/消喘控制系统分析研究

某型发动机研制过程中,防喘/消喘控制系统是其设计的薄弱环节及影响安全的关键之处。为解决这一问题,利用某型综合电子调节器及内外场专用设备对其防喘/消喘控制功能进行了详细的研究分析。研究表明:发动机防喘判据应根据发动机高压压气机转速和发动机进口压力进行动态修正,同时,应对系统采取一定保护措施,以提高系统工作的可靠性和安全性。